LLC 諧振轉(zhuǎn)換器在輕載條件下增益失真的考慮事項(xiàng)

近來，盡管LLC諧振轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)頗為復(fù)雜，但由于具有某些出色的優(yōu)勢(shì)而得到很多關(guān)注。比如，可通過零電壓開關(guān)(ZVS)實(shí)現(xiàn)高效率，在所有負(fù)載條件下工作頻率變化范圍很窄。LLC諧振轉(zhuǎn)換器廣泛用于家電、街燈充電器及其他各種電氣設(shè)備。大家知道，LLC諧振轉(zhuǎn)換器通過改變工作頻率來調(diào)節(jié)輸出電壓。一般而言，電壓轉(zhuǎn)換比，也就是ZVS工作區(qū)域中的增益值，理論上隨工作頻率的增加而減小。但實(shí)際上，在輕載條件下，工作頻率提高時(shí)，增益值也可能增大，而不是像理想增益曲線那樣減小。這種增益失真主要是由高頻變壓器上分布的寄生元素亦即諧振電感和雜散電容造成的。為了避免輕載條件下這種有害的輸出電壓增加現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)階段必須考慮到這些寄生元素。

本文將詳細(xì)討論寄生元素造成增益曲線失真的原因，并給出相應(yīng)的解決方案。

LLC諧振轉(zhuǎn)換器的工作原理
圖1所示為LLC諧振轉(zhuǎn)換器的基本電路。LLC諧振轉(zhuǎn)換器一般包含一個(gè)帶MOSFET的控制器、一個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)整流網(wǎng)絡(luò)。其中，控制器以50%的占空比交替為兩個(gè)MOSFET提供柵極信號(hào)，并隨負(fù)載變化改變工作頻率，調(diào)節(jié)輸出電壓Vout，這被稱為脈沖頻率調(diào)制 (PFM)。諧振網(wǎng)絡(luò)由兩個(gè)諧振電感和一個(gè)諧振電容組成(L-L-C)。諧振電感Lr、Lm，以及電容Cr，主要相當(dāng)于一個(gè)分壓器，其阻抗隨工作頻率的變化而變化，以獲得需要的輸出電壓，見式1。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，諧振網(wǎng)絡(luò)可由一個(gè)采用如圖2所示的通用繞絲管(bobbin)或分段式繞絲管的高頻變壓器的磁化電感Lm和漏電感Llk構(gòu)成。由整流網(wǎng)絡(luò)對(duì)諧振網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的正弦波進(jìn)行整流，然后提供給輸出級(jí)。

圖1 LLC諧振轉(zhuǎn)換器的基本電路

(1)
式中，Vd是輸入電壓，Rac是負(fù)載電阻。

圖2 帶通用繞絲管的高頻電感和變壓器(a)和帶分段式繞絲管的集成變壓器(b)

雖然輸入電壓Vd實(shí)際上是由兩個(gè)MOSFET控制的方波，但根據(jù)基波近似原理，仍可將之視為正弦波。利用這種近似，電壓轉(zhuǎn)換比可表示為式2。
(2)
式中，，，，，而Rac與Vd可分別表示為與Vin/2。

在式2中可觀察到兩個(gè)諧振頻率，一個(gè)是由(Lm+Lr)和Cr決定的ωp，另一個(gè)是由Lr和Cr決定的ωr。利用該式，可獲得轉(zhuǎn)換器的電壓轉(zhuǎn)換比與頻率變化及負(fù)載的關(guān)系圖，亦即增益特性曲線，如圖3所示。

圖3 LLC諧振轉(zhuǎn)換器的電壓轉(zhuǎn)換比與工作頻率和負(fù)載變化的關(guān)系